生物技術(shù)與能源

延安大學教學課件——生物技術(shù)概論生物技術(shù)與能源

目標要求①了解人類如何利用微生物發(fā)酵工程技術(shù)，提高石油的開采量、降低乙醇燃油及甲烷燃料的生產(chǎn)成本，并設(shè)法提高產(chǎn)量及減少環(huán)境污染。②了解人工種植能產(chǎn)“石油”的樹木及開發(fā)各種未來新能源等途徑，以滿足人類需能的要求。③掌握目前人類如何利用生物技術(shù)提高產(chǎn)能量及開發(fā)新能源的基本知識。教學內(nèi)容一、微生物技術(shù)與石油開采二、未來石油的替代物——乙醇三、植物“石油”四、甲烷與燃料源五、未來的新能源石油的原料是生物的尸體在地球上發(fā)現(xiàn)3000種以上的碳氫化合物，石油是由其中350種左右的碳氫化合物形成的，比石油更輕的碳氫化合物則成為天然氣。石油是怎樣形成的？一、微生物技術(shù)與石油開采1．1微生物勘探石油采取地震法、地球物理法及地球化學法

1937年，地質(zhì)科學工作者在進行直接分析底土(原生風化土)中的烴含量(氣測法)，并用于判斷地下油氣的儲存量時，發(fā)現(xiàn)油區(qū)底土中的重烴含量與季節(jié)變化存在一定聯(lián)系。一、微生物技術(shù)與石油開采1957年有人報道，用微生物勘探確認的16個油礦中，其中有13個有開采價值的油氣田及3個無開采價值的油氣田，油氣區(qū)準確率100％，有投產(chǎn)價值的準確率也高達80％左右一、微生物技術(shù)與石油開采1966年，Butler報道了把能利用氣態(tài)烴的氧化菌的細胞漿提取液注入動物體內(nèi)，并提取含抗體的血清，緊接著用抗血清與待測土壤洗滌液作用。如果能得到正的結(jié)果，則表示土壤中存在利用烴的微生物，從而進一步判斷地下是否存在油氣田。強化注水是二次采油廣泛應(yīng)用的有效增產(chǎn)措施，注水的主要目的是進一步提高油層的壓力。多年來現(xiàn)場開采的增產(chǎn)的實例已證實了用注水法能使采油量由原來占油田儲存油氣量的30％提高到40％～50％左右一、微生物技術(shù)與石油開采1．2微生物二次采油基本要點是：利用微生物能在油層中發(fā)酵并產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)及H2、CO2及CH4等氣體的生理特點。增加地層壓力降低原油的黏度降低油水的表面張力一、微生物技術(shù)與石油開采采油微生物應(yīng)具備的生物學特性

采油微生物可以降低油—水界面和油—巖石界面的張力，降低原油黏度，由此改變原油的性質(zhì)。因此，注入油層的采油微生物必須具備如下的基本生物特征。

①厭氧或兼性厭氧。在地層無氧條件下能生長繁殖并進行厭氧發(fā)酵，在地上有氧條件下也能生長繁殖。

②在油層高溫、高壓、高鹽等極端環(huán)境下能生長繁殖并代謝，且生長速度比油層中本來存在的微生物生長速度快。

一、微生物技術(shù)與石油開采③采油微生物最好能以油層中存在的烴類作碳源，能以儲油層內(nèi)的無機鹽作為氮源或營養(yǎng)元素，以減少成本。

④采油微生物必須與其注入油層的環(huán)境條件相配伍相適應(yīng)。能在油層內(nèi)運移，能生長繁殖，并產(chǎn)生有機、氣體、表面活性劑、生物聚合物、有機溶劑等多種代謝產(chǎn)物。

能在50°C以上的溫度及缺氧條件下生長的中度嗜鹽細菌，是用于微生物采油的最有力的競爭者。

一、微生物技術(shù)與石油開采微生物技術(shù)處理后的采油量可提高20％～25％，有時甚至高達30％～34％。美國德克薩斯州一口40年井齡的油井中，加入蜜糖和微生物混合物，然后封閉，經(jīng)細菌發(fā)酵后，井內(nèi)壓力增加，出油量提高近5倍一、微生物技術(shù)與石油開采1．3微生物三次采油利用微生物分子生物學技術(shù)

——基因工程菌株大量產(chǎn)生CO2和甲烷高聚物，糖酯一、微生物技術(shù)與石油開采早期，有人利用乳酸桿菌屬(Lactobacillus)中的一些菌株發(fā)酵葡萄糖，生成葡聚糖；腸膜狀明串珠菌發(fā)酵生產(chǎn)葡聚糖。把葡聚糖加人注入油田的水中，使油、水之間的黏度差降低，從而提高產(chǎn)量。一、微生物技術(shù)與石油開采1981年，美國因利用微生物發(fā)酵技術(shù)而多產(chǎn)油2000萬桶，價值6億美元。1989年，據(jù)前蘇聯(lián)《能源》刊物介紹，他們的科學家已經(jīng)提出了有效開采石油的新技術(shù)二、未來石油的替代物——乙醇2．1生產(chǎn)乙醇燃料的意義及其生化機制二、未來石油的替代物——乙醇二、未來石油的替代物——乙醇二、未來石油的替代物——乙醇二、未來石油的替代物——乙醇二、未來石油的替代物——乙醇二、未來石油的替代物——乙醇乙醇作為燃料的益處有：①產(chǎn)能效率高；②在燃燒期間不生成有毒的一氧化碳，其污染程度低于其他常用燃料所造成的污染③可通過微生物大量發(fā)酵生產(chǎn)，其成本相對低些。三、植物“石油”3．1產(chǎn)“石油”的灌木植物界中有許多能產(chǎn)“石油”的植物。這些植物都是橡膠樹的近緣，所含的汁液不僅豐富，而且有較高比例的碳氫化合物，如對這些液汁進行適當?shù)丶庸ず?，可與汽油混合作為動力機的燃料。牛奶樹三角大戟三、植物“石油”近期，在歐洲用改良的油菜種子油作為一種內(nèi)燃機燃料的替代物，并獲得相當可觀的利潤。這種內(nèi)燃機油的反應(yīng)是在NaOH催化劑的作用下進行的，其反應(yīng)溫度為5℃。1噸的菜籽油與0．1噸乙醇反應(yīng)可產(chǎn)生1噸的脂和0．1噸甘油。四、傳統(tǒng)可再生能源——甲烷全球最大的畜禽類沼氣發(fā)電廠日前在我國誕生并正式發(fā)電，該項目由蒙牛乳業(yè)集團投資4500萬元在呼和浩特蒙牛澳亞國際牧場建成。該廠年發(fā)電量可達1000萬度，并從發(fā)電當天起直接接入國家電網(wǎng)。2008.03四、傳統(tǒng)可再生能源——甲烷厭氧微生物可通過厭氧發(fā)酵途徑生產(chǎn)甲烷。整個發(fā)酵過程分為三個主要步驟。甲烷正在從西伯利亞凍土帶的湖泊中冒出。

四、傳統(tǒng)可再生能源——甲烷①初步反應(yīng)：利用芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudonmnas)及變形桿菌屬(Proteus)等微生物把纖維素、脂肪和蛋白質(zhì)等很粗糙的有機物轉(zhuǎn)化成可溶性的混合組分。②微生物發(fā)酵過程：低相對分子質(zhì)量的可溶性組分通過微生物厭氧發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化成有機酸。四、傳統(tǒng)可再生能源——甲烷③甲烷形成：通過甲烷菌把這些有機酸轉(zhuǎn)化為甲烷及CO2。四、傳統(tǒng)可再生能源——甲烷四、傳統(tǒng)可再生能源——甲烷四、傳統(tǒng)可再生能源——甲烷我國是沼氣生產(chǎn)量最大的國家，生產(chǎn)量高達7X106生物氣單位，相當于2.2X107噸煤的能量。在美國加州，采用牛糞生產(chǎn)甲烷能給一個工廠提供20000kW·h的電能菲律賓的一家農(nóng)工業(yè)聯(lián)合企業(yè)擁有近4x105m2的稻田和經(jīng)濟林，養(yǎng)100頭牛、25000頭豬和11000只鴨，且設(shè)有養(yǎng)魚塘、肉食品加工廠等.每天可生產(chǎn)2000m3沼氣五、未來的新能源5.1氫能原因是氫氣在燃燒時，除了釋放發(fā)熱量相當于汽油的3倍之外，其燃燒剩余物均為水，不會造成環(huán)境污染，堪稱為綠色燃料發(fā)現(xiàn)：1942年Gafron和Rubin發(fā)現(xiàn)珊列藻可產(chǎn)氫又發(fā)現(xiàn)：許多光合微生物及非光合微生物也能產(chǎn)氫五、未來的新能源產(chǎn)氫的光合微生物可分為藻類及非藻類藻類有顫藻屬、螺藻屬、念珠藻屬、項圈藻屬、小球藻屬、珊列藻屬及衣藻屬等非藻類放氫微生物有綠硫菌屬、紅硫菌屬和紅螺菌屬等五、未來的新能源生活習性：厭氧菌及兼性厭氧菌前者有巴氏梭菌、產(chǎn)氣微球菌、雷氏丁酸桿菌、克氏桿菌后者有大腸桿菌、嗜水氣單胞菌、軟化芽胞桿菌、多黏芽胞桿菌等五、未來的新能源5.2生物燃料電池五、未來的新能源1910年，英國植物學家Potter把酵母或大腸桿菌放人含有葡萄糖的培養(yǎng)基中進行厭氧培養(yǎng)，其產(chǎn)物在鉑電極上能顯示出0.3～0.5V的開路電壓和0.2mA的低電流1962年，Rohrback用葡萄糖為原料，利用丁酸桿菌發(fā)酵所產(chǎn)生的氫來構(gòu)建氫—氧型微生物電池，但所獲的電流仍然很低五、未來的新能源按生物燃料電池的構(gòu)造不